硕士学位论文-基于FMS系统的机械手控制系统设计与实现(2).pdf

专业学位硕士学位论文 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fM a n i p u l a t o rC o n t r o lS y s t e mB a s e d o nt h eF M S S y s t e m 学号：4 1 0 1 7 4 8 9 完成日期：2 Q ! 墨二墨二2 Q 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王巡苎鍪统数扭越壬控剑歪缠达盐鱼塞塾 作者签名： f 习垒量：垡日期：卫年二I _ 月2 竺日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 柔性制造系统是一种集数控加工制造系统、物料储运系统、信息控制系统于一体的 自动化机械制造系统，该系统最大的优点是能够适应加工对象的变换【l 】。由于采用计算 机控制技术，因此只要改变计算机程序，就能对不同的加工对象进行差异化加工。近年 来，随着对机械加工精度和效率的要求的提高，柔性制造系统得到了越来越广泛的应用。 柔性制造系统中工业机械手的应用越来越普遍，尤其在物料的装卸和运输中最为常见。 本文设计的对象是工业机器人控制系统，其功能是控制一个机械手的运动，以实现 在三台数控车削中心和工件交换装置之间工件的交换。本文设计的系统控制的对象是一 个四自由度的工业机械手，它以单片机为控制器，四个动作都是由步进电机驱动，机械 手的开合动作由气动系统驱动。考虑到系统的安全性和稳定性，通过光电式接近开光进 行限位控制；考虑到现场工作的复杂性，在部分信号输送的连接中采用光电耦合来实现 信号的传递，以增大可靠性。 本系统的功能是实现对机械手运动的速度和位置控制，以及对信号的分析和处理。 利用单片机内部定时器计数器工作于定时方式，采用中断的方式定时输出固定宽度的脉 冲，并将信号送给步进电机控制器，实现速度控制；利用定时器计数器工作于计数方式， 对单片机送出的脉冲信号进行计数来判断是否到达运动终止位置，以实现位置控制；对 输入输出信号进行仔细分析后确定了I o 口的分配，设计出I O 系统，并在此基础上编 制了部分控制程序。 关键词：柔性制造系统；机械手；步进电机；单片机 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fM a n i p u l a t o rC o n t r o lS y s t e mB a s e d o nt h eF M S S y s t e m A b s t r a c t F l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sas e to fa u t o m a t e dm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gs y s t e m i n c l u d i n gC N Cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s , m a t e r i a lh a n d l i n gs y s t e m ，i n f o r m a t i o n c o n t r o ls y s t e m T h eb i g g e s ta d v a n t a g e so f t h i ss y s t e mi sa b l et o a d a p tt ot h et r a n s f o r m a t i o no ft h eo b j e c tt ob e p r o c e s s e d D u et oC o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya d a p t a t i o n , c h a n g i n gi n t h ec o m p u t e r p r o g r a m , d i f f e r e n tp r o c e s s i n go b j e c t sC a nb ep r o c e s s e dd i f f e r e n t i a t e l y I nr e c e n ty e a r s , w i t h t h ei n c r e a s i n gd e m a n d so ft h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c y ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e mh a sb e e nm o r ew i d e l yu s e d I n d u s t r i a lr o b o ta p p l i c a t i o n si nf l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m si si n c r e a s i n g l yc o m m o n , e s p e c i a l l yi nt h eh a n d l i n ga n dt r a n s p o r to fm a t e r i a l si st h e m o s tc o m m o n T h eo b j e c ti nt h i sp a p e ri si n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o ls y s t e m , i t sf u n c t i o ni st oc o n t r o lt h e m o v e m e n to fam a n i p u l a t o r ，i no r d e rt oa c h i e v ee x c h a n g i n gw o r k p i e c ei nt h ea p p a r a t u s b e t w e e nt h et h r e eC h I Ct u r n i n gc e n t e ra n dt h ea u t o m a t i cw o r k p i e c ec h a n g e r I nt h i sp a p e r ，t h e d e s i g n o f s y s t e m c o n t r o l o b j e c t i sa f o u r - d e g r e e - o f - f r e e d o mi n d u s t r i a l ，S i n g l e c h i p M i c r o c o m p u t e ra sc o n t r o l l e r , f o u ra c t i o n sa r ed r i v e nb yas t e p p i n gm o t o r , t h eo p e n i n ga n d c l o s i n gm o v e m e n t so ft h er o b o td r i v e nb yt h ep n e u m a t i cs y s t e m T a k i n gi n t oa c c o u n tt h e s a f e t yo ft h es y s t e ma n ds t a b i l i t yo ft h ep h o t o e l e c t r i cp r o x i m i t yo p e n i n gl i m i tc o n t r o l ； C o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ef i e l dw o r k , t h ec o n n e c t i o no ft h ep a r t i a ls i g n a lf e dt o o p t i c a lc o u p l i n gt oa c h i e v et h es i g n a lt op a s s ，i no r d e rt oi n c r e a s er e l i a b i l i t y T h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi St oa c h i e v et h es p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o lo fm a n i p u l a t o r m o v e m e n t ，a sw e l la ss i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g U s eo ft h eS i n g l e - c h i pM i c r o c o m p u t e r i n t e r n a lt i m e r c o u n t e rw o r ko nt h et i m i n ga n di n t e r r u p tt i m i n go u t p u t 敝e dp u l s ew i d t h , a n d g a v et h es i g n a lt ot h es t e p p e rm o t o rc o n t r o l l e r , i no r d 啦t oa c h i e v es p e e dc o n t r o l ；t i m e rl c o u n t e rc o u n t st h ew a yo f t h eS i n g l e c h i pM i c r o c o m p u t e rs e n d sa p u l s es i g n a lf o rc o u n t i n gt o d e t e r m i n ew h e t h e rt or e a c he n dp o s i t i o no ft h em o v e m e n t ，i no r d e rt oa c h i e v et h ep o s i t i o n c o n t r o l ；a f t e rc a r e f u la n a l y s i s ，d e t e r m i n e dI Op o r ta l l o c a t i o na n dd e s i g n e dt h eI 0s y s t e m , t h e nap a r to ft h ec o n t r o lp r o g r a mi sd e s i g n e db a s e do nt h i s K e yW o r d s ：F l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；m a n i p u l a t o r ；s t e p p e rm o t o r ；S i n g l e - c h i p M i c r o c o m p u t e r I I 大连理工大学专业学位硕士学位论文 目录 摘要I A b s t r a c t I I 1绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 课题研究2 1 2 1 机械手结构的确定2 1 2 2 工况分析3 1 2 3 课题分析3 1 3 系统构成4 1 3 1系统结构5 1 3 2 硬件结构5 1 3 3 软件系统5 2 硬件系统设计与实现，6 2 1 总体方案设计确定6 2 1 1 运动控制分析6 2 1 2 动作流程分析7 2 2 控制器的设计与选用8 2 2 1 单片机选型8 2 2 28 7 51 单片机简介8 2 3 存储器的设计与实现11 2 3 1 存储器选用及访问1 1 2 3 2 程序存储器的扩展设计11 2 3 3 程序存储器的扩展实现1 3 2 3 4 数据存储器的扩展设计1 4 2 3 5 数据存储器的扩展实现1 5 2 4I O 接口电路设计与实现1 7 2 4 1 系统输入输出信号分析1 7 2 4 2 系统I o 接口电路设计2 0 2 4 - 3 系统I o 接口电路功能实现2 1 2 4 4 系统I O 接口资源分配2 2 2 4 5 光电隔离电路在本系统中的应用2 4 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 2 5 时钟电路的设计与实现2 4 2 5 1 时钟电路的设计2 4 2 5 2 时钟电路的实现2 5 2 6 复位电路设计与实现2 5 2 6 1 复位电路设计2 5 2 6 2 复位电路的实现2 6 2 6 3 掉电保护在本系统中的应用2 6 2 7 步进电机控制设计与实现2 7 2 7 1 步进电机控制设计2 7 2 7 2 步进电机控制实现2 9 2 8 系统功能的设计与实现3l 2 8 1 运动速度控制和位置控制功能的设计3 1 2 8 2 运动速度控制和位置控制功能的实现3 2 2 8 3 中断系统的设计3 3 2 8 4 中断系统的实现3 4 3 软件系统的设计与实现3 5 3 1 步进电机控制程序的设计与实现3 5 3 1 1 定时器计数器的设定3 5 3 1 2 本系统中定时器计数器的应用3 8 3 1 。3 腰部回转运动控制程序的设计3 8 3 1 4 腰部回转运动控制程序的实现3 9 3 1 5 手腕转动运动控制程序的设计4 0 3 1 6 手腕转动运动控制程序的实现4 0 3 1 7 手臂伸缩运动控制程序的设计4 1 3 1 8 手臂伸缩运动控制程序的实现4 l 3 1 9 手臂上下运动控制程序的设计4 2 3 1 1 0 手臂上下运动控制程序的实现4 3 3 2 中断系统程序的设计与实现4 3 3 2 1 中断系统程序的设计4 3 3 2 2 中断系统程序的实现4 4 4 系统测试4 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 1 硬件测试4 6 4 1 1 存储器的测试4 6 4 1 2I O 系统的测试4 6 4 1 3 中断系统测试4 6 4 2 软件测试，4 7 4 3 系统集成测试4 7 4 4 系统测试报告4 8 4 4 1 硬件测试结果4 8 4 4 2 软件测试结果4 8 4 4 3 集成测试结果4 8 结论5 0 参考文献5 2 附录A 从初始位置转到机床位置子程序5 3 附录B 从机床位置转回初始位置子程序5 6 附录C 手腕顺时针旋转子程序5 9 附录D 手腕逆时针旋转子程序6 1 附录E 手臂伸出子程序6 3 附录F 手臂缩回子程序6 5 附录G 手臂向上运动子程序6 7 附录H 手臂向下运动子程序6 9 致谢，7 1 大连理工大学学位论文版权使用授权书7 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 随着现代工业化的不断发展，机械加工要求不断地提高，以数控机床和加工中心为 代表的数控技术已经得到了广泛的应用，并且数控技术已经从原来的N C 系统控制完全 过渡到了C N C 系统控制，也就是由微机来实现程序控制，工作的时候执行预先编好的程 序，由计算机进行分析和处理，然后按要求驱动相应的电动机，并通过相应传动链，带 动最后的执行机构完成规定的动作。 近年来，随着加工精度和效率要求的进一步提高，柔性制造系统( F l e x i b l e M a n u f a c t u r eS y s t e m ) 的发展越来越受到重视，在多台加工中心基础上构成的F M S 系统 除了能实现加工自动化之外，还能实现工件交换、刀具交换等自动化操作，实现了真正 意义上的全自动化加工，在汽车装配、微电子行业中得到了广泛的应用，并且也成为了 数控技术发展的一个重要的发展方向。 通过工业机器人实现上下料操作就是F M S 系统中的一个典型的应用，一般主要靠工 业机器人( 即机械手) 来完成，即当加工中心完成了相应的加工任务后，通过机械手自 动实现已加工零件和待加工零件的装卸和交换，这样既大大缩短了非加工时间，也极大 地提高了加工效率。 炉工位2 工位1 初始位置 图1 1 系统工况示意图 F i g 1 1 S y s t e mc o n d i t i o n sd i a g r a m 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 随着近几年中国人力成本不断上升的大背景下，机械手的应用得到了飞速的发展， 如富士康等大企业都在考虑用机械人来替代普通工人的重复性劳动，可以预计在不久的 将来，以工业机器人为主体的F M S 系统必然会得到越来越广泛的应用。 1 2 课题研究 本课题的研究的就是在三台数控车削中心和工件自动交换系统之间自动实现已加 工工件和待加工工件的自动装卸和交换的机械手。因此机械手需要在如图1 1 所示三台 车削中心A 、B 或c 与工件自动交换系统之间完成工件的交换。 车削中心主轴的中心高为I 2 米，工件自动交换装置台面的高度为0 8 米，机械手 的工作半径为l 米，三台机床和A W C 系统的位置都在此工作半径上。 要求所有动作应尽量准确和速度，由于需要全自动化操作，因此必须要考虑到稳定 性和安全性设计问题。 1 。2 1 机械手结构的确定 机械手一般由腰部、手臂、手腕和手爪等组成【2 1 。 由于本课题中的三台机床为数控车削中心，加工的零件一般为回转类零件，以轴类 零件为主，因此所抓取的零件基本上都是棒料。 基于以上工作要求，应采用夹钳式的手爪，靠手爪的张开和闭合实现对工件的松开 和夹紧1 3 J 。 要实现在机床A 、B 、C 与A W C 系统之间实现工件的交换，并根据给出的分布半径运 动，最好的方式是机械手能实现回转，转动半径为1 米，也就是以机械手为圆心，实现 直径为2 米的回转动作，此动作一般由机械手的腰部实现，考虑到机床的不同位置，机 械手应具有逆时针和顺时针双向转动的能力，这样才能以最快的速度移动到对应机床的 工位，初步定该回转运动的速度为4 5 度秒。 由于在车削中心上零件是装夹在主轴上的，而机床的主轴和A W C 系统的台面有0 4 的高度差，因此机械手应该能实现上下运动，该动作同样考虑由腰部实现，移动的行程 为4 0 0 r a m ，由于该行程较小，速度不宜过快，因此初步定该运动的速度为0 2 米秒。 考虑到机械手回转路径上可能会有比较多的障碍物，考虑到避障的问题，机械手一 般要能够实现伸缩运动：在抓取工件时，机械手伸出；抓完工件后，机械手缩回才进行 回转运动。由于缩回后回转的进程中基本无障碍物，因此可以以最快的速度回转，提高 效率。此运动一般由手臂实现，定行程为6 0 0 m m ，由于该行程较长，速度应适当加快， 因此初步定该运动的速度为0 4 米秒。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 回转类零件在车削中心上是安装在主轴上的，因此是水平放置的，而在A W C 系统的 工位上，工件应是垂直放置在相应的定位夹具上的，故工件从机床抓取后到放置到定位 夹具上之前应从水平放置改为垂直放置，这样任务由机械手的手腕的转动运动来实现， 转动范围只要9 0 度就够了，考虑到转动范围较小，因此初步定该转动的速度为2 5 度 秒。 综合以上分析，基本可以确定该机械手的类型为圆柱坐标型，具有四个自由度，分 别为腰部的上下运动、腰部的回转运动、手臂的伸缩运动和手腕的旋转运动，末端执行 器选用夹钳式的手爪。 1 。2 2 工况分析 通过之前的分析，我们基本能够确定机械手抓取工件的过程一般分以下两部分完成： ( 1 ) 将机床上已加工的工件卸下，放到工件自动交换装置的空位上。 初始状态位置和状态：图1 1 所示工位1 为机械手的初始位置，这时机械手处于初 始状态：手臂缩回并处于上极限位置，手爪是松开的。 如若有加工中心完成加工任务后，会通过其控制系统发来一个要求交换工件的信号， 根据发来的信号，系统应能判断是机床A 、B 或c 完成了加工任务，然后机械手就转到 相应的工位2 、3 或4 ，手臂伸出并抓紧机床上的工件，机械手的控制系统发处就位信号 给相应的机床控制系统，对应的机床收到就位信号后，控制并驱动机床上的卡盘运动松 开工件，完成后发出卡盘已松开的信号给机械手控制系统，之后机械手碗顺旋转9 0 度， 将工件垂直放置，接着机械手缩回，并回转到初始位置即工位1 ，到位后手臂伸出，接 着下降将工件安放在A W C 系统的对应空位上的定位夹具中，之后机械手缩回等待A W C 系 统自动转过一个位置，将新的工件放置到操作位置。 ( 2 ) 抓取工件交换装置上的新工件，并将之安装到机床主轴上。 系统收到A W C 系统发来的工件就位信号后，机械手再度伸出，并通过手爪抓住垂直 放置的工件，然后手臂上移并回转到对应的机床工位，伸出手臂至机床主轴位置，逆时 针旋转9 0 度，将工件水平放置于卡盘问，并发出工件到位信号给相应的机床控制系统， 相应机床的卡盘加紧工件，手抓松开，然后手臂缩回，回转至初始位置，并发出动作完 成信号，等待下一次操作。 1 2 3 课题分析 根据之前的分析，该机械手应具有至少需具有四个自由度一腰部的上下运动、腰部 的回转运动、手臂的伸缩运动和手腕的回转运动，同时末端执行器手爪应能够实现开合 动作。 基于F l V l S 系统的机械手控制系统设计与实现 选用步进电机作为驱动工具，因为步进电机的结构简单，控制方面，成本又很大优 势，一般用于开环控制。以前步进电机的精度不高一直是它最大的缺陷，但随着脉冲细 分驱动技术在步进电机中应用，步进电机的控制精度得到了很大的提高，而且只要通过 控制送给步进电机的脉冲的数目和频率，就能实现速度和位置控制。 工件的抓取靠手爪开合运动实现，考虑到经济性，本着尽量采用标准件的原则，决 定采用标准化的手爪气缸来完成此项功能，控制系统只需要对操控手爪气缸的气动电磁 换向阀进行控制，就实现手爪的开合动作，并实现对零件的抓取和松开。 机械手在转动过程中需要确定是否转到了信号要求的工位，即需要进行位置控制， 考虑到在本系统中工位2 、3 、4 及初始工位1 之间的角度都是固定的，因此利用步进电 机的角位移和接受到的脉冲信号成正比的特点，采用控制送至步进电机控制驱动器的脉 冲数量的方法，也就是数脉冲的方法来实现位置控制，当然由初始位置转到不同的工位 转动角度不同，对应的脉冲数也是不同的。 虽然能通过数脉冲的方法实现位置控制，但考虑到本系统是用于自动化程度非常高 的F M S 系统中，可靠性和稳定性设计是我们同样要考虑的，由于工业加工现场的环境比 较复杂，干扰现象较严重，且本系统考虑到要提高效率，采用的速度普遍较快，故而机 械系统往往会由于惯性的问题有时候在动作的终止上会存在问题，而超出行程，因此在 所有行程的终止位置之后一点都放置一个光电式接近开光来作为限位控制，保证系统运 动的稳定性和安全性。 机械手四个自由度涉及的动作除了有位置控制要求外，还有速度控制要求，由于本 系统都是由步进电机驱动的，故其实就是对步进电机的转速进行控制，可以通过改变输 入脉冲的频率实现此要求，该功能能够通过微机系统实现，如通过单片机的定时器计 数器改变脉冲输出的时间间隔的方法来实现。 1 3 系统构成 本课题设计的系统是典型的机电一体化系统，随着现代工业生产向着自动化方向的 发展趋势确立后，计算机控制系统在现代自动化设备中的应用得到广泛的应用，如数控 技术、现代测控技术等，当然也包括本课题涉及的机器人技术，在工业现代化中应用的 机器人主要是指工业机器人，即就是一个机械手，随着机械手自由度的不断提高，控制 要求和难度也随之提高，因此采用微型计算机来作为控制主体基本是当前工业机器人控 制的不二选择。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 1 系统结构 现代微型计算机控制系统主要是由硬件系统( H a r d w a r e ) 和软件系统( S o f t w a r e ) 两 部分组成。 硬件系统一般指能够摸得到、看得到的计算机部件，是组成微型计算机系统的基础。 软件简单的说就是指令的集合，一般指为了某一特定的功能要求而开发的程序，分 为两部分：系统类软件和应用类软件。 1 3 2 硬件结构 硬件系统是微机控制系统的基础，没有硬件的支撑，软件将失去运行的必要基础。 微型计算机应用系统的硬件部分一般由控制器、存储器、基本输入输出电路和接 口电路等组成 4 1 。 本课题设计的机械手应用于F M S 系统，需要较高的反应速度和可靠性，而单片机的 结构简单，成本较低，并且对信号处理的反应速度较快，因此综合以上分析，并考虑成 本的因素，本课题采用单片微型计算机控制系统。 1 3 3 软件系统 软件是具为了实现某个特点功能而编写的指令的集合，一般分应用类程序和系统类 程序两种。 单片机控制系统的软件以前主要采用汇编语言程序设计来编写的，但是汇编语言程 序的语法有严格的要求，而且灵活性较差，采用汇编语言编写的单片机程序一般需要较 长的时间，且调试和维护的效率同样较低，因此为了提高编制计算机控制系统程序和应 用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，现在高级语言编程采用的较多。 C 语言作为我们计算机程序开发常用的高级语言，其通用型号，代码率高、有着丰 富的数据类型及运算符，程序结构良好，最大的优点就是能过对硬件直接进行操作，编 程限制较少，灵活度较高，并且程序的通用型较高，因此它是目前使用较广的单片机编 程语言。 本课题采用到工业机器人应是一个应用较广泛的设备，并考虑其控制系统的特点， 决定采用C 语言来作为编程的语言，加快程序开发的周期，提高程序可阅读性，以提高 该应用系统的通用性，具体方案会在之后的章节中作具体的说明。 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 2 硬件系统设计与实现 2 1 总体方案设计确定 2 1 1 运动控制分析 根据对课题要求的工况和任务的分析，确定了该机械手的应具有4 个自由度，对于 控制系统而言，应控制的动作还应加上手爪的开合。 ( 1 ) 手爪的开合 该动作主要实现对工件的抓取和放松，并且在工件从机床移动到工件自动交换系统 和从工件自动交换系统移动到机床的过程中不能松开，保持闭合状态。 该动作主要靠气动驱动，由手爪气缸完成，手爪的开合靠控制系统对气动电磁换向 阀的电磁铁进行控制实现。 ( 2 ) 机械手的转动 机械手的转动主要是由腰部实现的，使得机械手臂能够在包括起始工位和三台机床 对应的工位在内的四个位置之间实现切换，并且为了提高效率，应该能够实现顺时针和 逆时针双向转动，并且能够具有一定的位置识别功能，以判断是否转到了指定位置。 该动作考虑用步进电机控制，近年来，随着脉冲细分驱动技术的应用，步进电机的 精度得到了极大的提高，并且步进电机的控制相对简单，由于其步距角和发至它的脉冲 数成正比，因此角位移和脉冲数也是成正比的，故如需要转动的角度，只要通过控制系 统将定量的脉冲数送给步进电机即可实现。 ( 3 ) 机械手的上下运动 机械手的上下运动也是由腰部实现的，让机械手能够在垂直方向上有一定的运动空 间，主要是由于机床的主轴位和工件交换系统中放置工件的台面间有一定的落差，因此 必须通过上下运动来实现两个位置的切换。 该动作同样考虑用步进电机控制，之后通过滚珠丝杆副将电动机输出的回转运动转 化为直线运动，实现机械手的上下运动。 ( 4 ) 机械手手臂的伸缩运动 机械手手臂的伸缩运动，主要是实现机械手在水平方向上运动，从而在转动过程中 不用考虑障碍物的影响，实现抓取工件的工作位置和初始位置之间切换。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 该动作同样考虑用步进电机控制，并通过滚珠丝杆副实现运动方式的转化，从而实 现该动作。 ( 5 ) 机械手手腕的转动运动 在机械手抓取了机床上的工件时，工件是水平放置的，而在工件交换系统中，工件 是垂直放置的，因此，在抓取工件后手腕顺时针转9 0 度，直接将工件垂直放置，这样 在移动时候既平稳，又能在回到初始位置后直接放置到工件交换系统的空位上去；同样 在将新工件送至机床主轴位后，在卡盘夹紧工件前，手腕应逆时针旋转9 0 度，将工件 水平放置，使之符合加工的要求。 该动作同样考虑用步进电机，实现相应动作。 2 1 2 动作流程分析 综合之前的分析，该机械手在完成一次工件交换基础上的动作顺序基本确定，顺序 如下： ( 1 ) 机械手位与初始状态( 缩回、上限位、手爪松开) ； ( 2 ) 收到某台机床( A 、B 或c ) 的加工完成，请求交换工件信号； ( 3 ) 机械手顺时针或逆时针转动一定角度，转到工位2 或3 或4 ； ( 4 ) 手爪伸出到指定位置； ( 5 ) 手爪闭合，抓取工件，并给相应机床发出工件抓取就位信号； ( 6 ) 相应机床接受到工件抓取就位信号，松开卡盘，并发出卡盘已松信号； ( 7 ) 手爪顺时针旋转9 0 度，将工件垂直放置； ( 8 ) 机械手缩回一段距离，避免在转动时碰上机床； ( 9 ) 机械手顺时针或逆时针旋转回初始工位l ； ( 1 0 ) 机械手伸出到工件交换系统的空位处； ( 11 ) 机械手下移，直至将工件放置到工件交换系统上； ( 1 2 ) 机械手上移至上限位； ( 1 3 ) 工件交换系统移动一个工位，将新的待加工工件移动到交换位置； ( 1 4 ) 机械手下移到指定位置； ( 1 5 ) 机械手手爪闭合，抓取工件，这时工件时是垂直放置的； ( 1 6 ) 机械手上移至上限位； ( 1 7 ) 机械手缩回； ( 1 8 ) 机械手转动到机床位置； ( 1 9 ) 机械手伸出到机床主轴位置； 基于E V l S 系统的机械手控制系统设计与实现 ( 2 0 ) 机械手逆时针回转9 0 度，将工件水平放置； ( 2 1 ) 发出交换结束指令，机床卡盘夹紧； ( 2 2 ) 机床发出已夹紧指令，机械手松开 ( 2 3 ) 机械手缩回至限位； ( 2 4 ) 机械手转动到初始工位1 ； ( 2 5 ) 一次工件交换动作结束，之后循环。 2 2 控制器的设计与选用 本课题采用的微型计算机应用形态为单片机应用系统，即采用单片机作为整个控制 系统的控制器，主要完成外部信号的输入输出与处理、程序的阅读与执行、信息的处 理等任务。 2 2 1 单片机选型 从当前的单片机的应用情况来看，其产品种类已经有六十多个系列，六百多种品牌， 但当前使用最广泛还是是I n t e l 公司生产的M C S 一5 l 系列或与之兼容的单片机系列，因 此本系统也采用使用较多的M C S 一5 l 系列作为系统的控制器。 Y C S 一5 1 系列单片机主要有8 0 3 1 、8 0 5 1 、8 7 5 1 三种主要机型，它们的引脚和指令系 统完全相同，只是内部结构有一些区别。 综合考虑课题的需要，本课题采用8 7 5 1 机型的单片机来作为系统的控制器。 2 2 28 7 5 1 单片机简介 ( 1 ) 内部结构 8 7 5 1 内部结构主要包括以下部件： 字长为8 位的微处理器一个； 1 2 8 B 的片内数据存储器R A M ，最多可片外R A M 可扩展至6 4 K B ； 4 K B 的片内程序存储器R O M ，为E P R O Y 型，最多可片外R O Y 可扩展至6 4 K B ； 完善的中断系统； 两个1 6 位定时计数器； 时钟电路； 8 位并行i o 接口4 个； 全双工异步串行i o 接口一个。 ( 2 ) 8 7 5 1 引脚功能 大连理工大学专业学位硕士学位论文 8 7 5 1 单片机芯片都是采用双列直插式封装，共有4 0 个引脚，如图2 1 所示。 电源相关引脚 图2 18 7 5 1 引脚功能图 F i g 2 1 8 7 51P i nf u n a i o nd i a g r a m V c c ( 4 0 脚) ：电源接线端，接+ 5 V 电源。 V s s ( 2 0 脚) ：电源接线端，接地端。 时钟电路相关引脚 X T A L l ( 1 9 脚) ：采用内部形成振荡电路时，按晶振体的一个引脚；采用外部输入的 时钟信号时，连接方法见本章第五节时钟电路的相关内容。 X T A L 2 ( 1 8 脚) ：采用内部形成振荡电路时，接晶振体的另一个引脚；采用外部输 入的时钟信号时，连接方法见本章第五节时钟电路的相关内容。 本系统采用内部1 2 M n z 的晶振电路来作为时钟电路，X T A L l 引脚和X T A L 2 引脚连接 方式。 控制引脚 R S T V p D ( 9 脚) ：复位信号输入端备用电源输入端 复位电路一般是任何控制系统都必须要具备的，由于各种原因，可能会导致系统进 入死循环，也就是我们平时说的死机状态时，可以靠复位电路跳出死循环，并回到初始 位置，并且在出现一些意想不到的情况的时候，我们也可以借助复位电路避免意外的出 现，复位电路在本章第六节中将做详细说明。 E A V P P ( 3 1 脚) ：外部程序存储器选择端片内E P R O M 编程电源端 当E A = O ( 为低电平) 时，单片机只执行片外R O M 中的指令；当E A = I ( 为高电平) 时， 单片机优先执行片内R O M 中的指令，当程序地址指针超过4 K 时，再转向执行片外R O M 基于F M S 系统的机械手控制系统设计与实现 中的程序。本系统考虑到机械手的通用性和可扩展性，因此在4 K 片内R O M 的基础上， 扩展6 4 K 的片外R O M ，具体方案见存储器相关的章节。 V p p 是对片内E P R O M 进行编程时采用的电源，一般接+ 2 1 V 。 P S E N ( 2 9 脚) ：片外R O M 读选通端 当单片机对片外R O M 进行访问，从其内存中读取指令或数据时，通过该端口指令连 接相应片外R O M 的读选通信号端，实现对片外R O M 的读操作，指令或数据通过数据总线 读回。 A L E ( 3 0 脚) ：地址锁存器控制信号输出端 在系统扩展时，通过A L E 口连接地址锁存器的控制端，控制地址锁存器工作，将P 0 口输出的低8 位地址锁存，使得P OI S 作为地址总线和数据总线的复用。 输入输出引脚 8 7 5 1 主要的输入输出接口有4 个并行I O 口：P O 、P l 、P 2 和P 3 以及一个串行I O 口，但由于需要扩展存储器，P o 口和P 2 一般根据系统需要，作为数据地址总线来使 用，对片外数据存储器或程序存储器进行访问。 本课题中的输入输出信号相对较多，因此需要用到I O 的扩展，具体的方案和应 用见之后关于I O 接口的章节。 总线结构 单片机对外围设备的访问一般都是通过总线结构进行的，总线系统是由一定量的端 1 2 1 连接而成的，根据不同的访问和控制任务，可分为地址总线、数据总线和控制总线。 地址总线 由于5 l 单片机片外最大可扩展的程序存储器或数据存储器的容量为6 4 K ，因此地址 总线的宽度必须应为1 6 位，才能访问整个片外6 4 K 的R O M 或R A M ，实际是由P o 口提供 低8 位地址，P 2 口提供高8 位地址，但由于P 0 口同时需要输出数据，因此P O 口是通过 锁存器提供地址的低8 位的。 数据总线 数据总线由P o 提供，宽度为8 位。 控制总线 控制总线由P 3V I 的第二功能提供，此外一般还有R S T 、E A 、A L E 和P S E N4 根控制 线。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 存储器的设计与实现 2 3 1 存储器选用及访问 ( 1 ) 存储器的选用 8 7 5 1 的存储器可以划分为4 个独立的空间：片内数据存储器( 片内R A M ) 、片外数 据存储器( 片外I ) 、片内程序存储器( 片内R o M ) 、片外程序存储器( 片外R o M ) 。 本系统选用的8 7 5 1 机型片内R o M 为4 I ( B ，片外R o M 可扩展至6 4 I ( B ；片内R A M 为1 2 8 B ， 片外R A M 可扩展至6 4 K B 。 考虑课题所设计的机械手应具有一定的可扩展性和通用性，因此在片内R O M 和R o M 的基础上，扩展片外R O M 至6 4 I ( B ，扩展片外R A M 至3 2 K ，增加数据和程序存放的空间， 也使该机械手具有可扩展性，便于应用于其他相近的工业设备中。 ( 2 ) 存储器的访问 对于4 个空间的访问都是独立，通过定义不同的变量或通过相应的控制引脚来实现。 对于R A M ，通过定义变量d a t a ，来访问片内R A M 低1 2 8 字节； 通过定义变量x d a t a 来访问整个片外6 4 K BR A M ； 对于R o M ，当群0 ( 低电平) 时，只执行片外R O M 中的指令； E A = 1 ( 高电平) 时，先访问片内R O M ，当范围超出片内容量时候，就会自动转向访问 片外R O M 。 通过定义变量c o d e 来访问6 4 I ( BR o M 。 2 - 3 2 程序存储器的扩展设计 本课题设计的机械手应具有一定的通用性和可扩展性，因而采用扩展片外程序存储 器和片外数据存储器的等方法拓展存储空间，以存储更多的程序和信息。由于8 7 5 1 能 够提供的地址总线宽度最大为1 6 位，因此能够扩展的片外R O M 和R A M 最大容量为6 4 l ( B 。 ( 1 ) 程序存储器的选用 常用的外部程序存储器一般可以分为E P R O M ( 紫外线擦除) 、E E P R O M ( 电擦除) 和 F l a s h R O M ( 快闪存储器) 三种类型。 考虑到本课题设计的机械手的动作是相对固定的，程序植入后一般不需要频繁修改， 除非控制对象发生变化时，才需要对程序做相应修正，因此考虑采用E P R O M 型的外部存 储器，决定采用同样是i n t e l 公司生产的2 7 系列的存储器，根据要求应扩展至6 4 K B 的 片外R o M ，因而芯片的型号为2 7 5 1 2 。 ( 2 ) 2 7 5 1 2 程序存储器结构